Lentes planas feitas de nanoestruturas transformam minúsculas câmeras e projetores

Os Metalenses estão finalmente nas mãos dos consumidores

Esta imagem de um metalens, tirada com um microscópio eletrônico de varredura, mostra a variação nos tamanhos e layouts dos nanopilares usados ​​para manipular a luz.

Dentro dos computadores, telefones e outros dispositivos móveis de hoje, mais e mais sensores, processadores e outros eletrônicos estão lutando por espaço. Ocupando grande parte desse valioso espaço estão as câmeras – quase todo gadget precisa de uma câmera, ou duas, três ou mais. E a parte que mais ocupa espaço da câmera é a lente.

As lentes em nossos dispositivos móveis normalmente coletam e direcionam a luz recebida por refração, usando uma curva em um material transparente, geralmente plástico, para dobrar os raios. Portanto, essas lentes não podem encolher muito mais do que já encolheram: para tornar uma câmera pequena, a lente deve ter uma distância focal curta; mas quanto menor a distância focal, maior a curvatura e, portanto, a espessura no centro. Essas lentes altamente curvas também sofrem de todos os tipos de aberrações, então os fabricantes de módulos de câmera usam várias lentes para compensar, aumentando o volume da câmera.

Com as lentes de hoje, o tamanho da câmera e a qualidade da imagem estão puxando em direções diferentes. A única maneira de tornar as lentes menores e melhores é substituir as lentes refrativas por uma tecnologia diferente.

Essa tecnologia existe. É o metalens, um dispositivo desenvolvido em Harvard e comercializado na Metalenz, onde sou engenheiro de aplicações. Criamos esses dispositivos usando técnicas tradicionais de processamento de semicondutores para construir nanoestruturas em uma superfície plana. Essas nanoestruturas usam um fenômeno chamado óptica de metasuperfície para direcionar e focar a luz. Essas lentes podem ser extremamente finas – algumas centenas de micrômetros de espessura, cerca de duas vezes a espessura de um fio de cabelo humano. E podemos combinar a funcionalidade de várias lentes curvas em apenas um de nossos dispositivos, abordando ainda mais a escassez de espaço e abrindo a possibilidade de novos usos para câmeras em dispositivos móveis.

Antes de contar como os metalens evoluíram e como funcionam, considere alguns esforços anteriores para substituir as lentes curvas tradicionais.

Conceitualmente, qualquer dispositivo que manipule a luz o faz alterando suas três propriedades fundamentais: fase, polarização e intensidade. A ideia de que qualquer onda ou campo de onda pode ser desconstruída até essas propriedades foi proposta por Christiaan Huygens em 1678 e é um princípio orientador em toda a ótica.

Neste único metalens [entre pinças], os pilares têm menos de 500 nanômetros de diâmetro. A caixa preta na parte inferior esquerda da ampliação representa 2,5 micrômetros. Metalenz

No início do século 18, as economias mais poderosas do mundo deram grande importância à construção de faróis com lentes de projeção maiores e mais poderosas para ajudar a proteger seus interesses marítimos. No entanto, à medida que essas lentes de projeção cresciam, seu peso também aumentava. Como resultado, o tamanho físico de uma lente que pode ser elevada ao topo de um farol e suportada estruturalmente limita a potência do feixe que pode ser produzido pelo farol.

O físico francês Augustin-Jean Fresnel percebeu que, se cortasse uma lente em facetas, grande parte da espessura central da lente poderia ser removida, mas ainda retendo a mesma potência óptica. A lente Fresnel representou uma grande melhoria na tecnologia óptica e agora é usada em uma série de aplicações, incluindo faróis automotivos e luzes de freio, retroprojetores e, ainda, para lentes de projeção de farol. No entanto, a lente Fresnel tem limitações. Por um lado, as bordas planas das facetas se tornam fontes de luz difusa. Por outro lado, as superfícies facetadas são mais difíceis de fabricar e polir com precisão do que as curvas contínuas. É algo proibido para lentes de câmera, devido aos requisitos de precisão de superfície necessários para produzir boas imagens.

Outra abordagem, agora amplamente utilizada em detecção 3D e visão de máquina, tem suas raízes em um dos experimentos mais famosos da física moderna: a demonstração de difração de Thomas Young em 1802. Esse experimento mostrou que a luz se comporta como uma onda e, quando as ondas se encontram, elas podem se amplificar ou cancelar uma à outra, dependendo da distância percorrida pelas ondas. O chamado elemento óptico difrativo (DOE) baseado nesse fenômeno usa as propriedades ondulatórias da luz para criar um padrão de interferência - ou seja, regiões alternadas de escuridão e luz, na forma de uma matriz de pontos, uma grade ou qualquer outra número de formas. Hoje, muitos dispositivos móveis usam DOEs para converter um feixe de laser em "luz estruturada". Esse padrão de luz é projetado, capturado por um sensor de imagem e usado por algoritmos para criar um mapa 3D da cena. Esses minúsculos DOEs se encaixam perfeitamente em pequenos dispositivos, mas não podem ser usados ​​para criar imagens detalhadas. Então, novamente, as aplicações são limitadas.